極限環(huán)境下的科學(xué)

在超高壓狀態(tài)制造比鉆石更硬的物質(zhì)

地表的物質(zhì)受到的大氣壓強(qiáng)，約為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013帕)，在珠穆朗瑪峰項(xiàng)上是0.3氣壓，在海底最深處的水壓約1000氣壓，地幔中心達(dá)360萬(wàn)氣壓。目前科學(xué)家已開(kāi)發(fā)出一種裝置，可制造出400萬(wàn)氣壓的超高壓環(huán)境。這是目前世界上最高水平的超高壓狀態(tài)。在這個(gè)環(huán)境下，鉆石的大小將被壓縮到原來(lái)的70％左右?？紤]到鉆石多是在10萬(wàn)氣壓下制造出來(lái)的，如果在更高壓力下，有可能造出比鉆石更硬的物質(zhì)。不僅鉆石，一切物質(zhì)置身在極限的超高壓下都會(huì)具有金屬的性質(zhì)。這是因?yàn)槲镔|(zhì)中的原子距離由于高壓而縮小，結(jié)果圍繞各原子的電子能夠在物質(zhì)中自由活動(dòng)。這樣，在某個(gè)高壓條件下，有些物質(zhì)或許能夠產(chǎn)生具有像超導(dǎo)體那樣的新性質(zhì)?？茖W(xué)家的目標(biāo)是探索在這樣超高壓下可能出現(xiàn)的新物質(zhì)。

用超重力場(chǎng)發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)

地球上的一切物體都受到地球重力的影響。假如離地約5米高的物體靜靜地落下(空氣阻力可以被忽視的情形)，約1秒鐘落到地面。目前科學(xué)家已開(kāi)發(fā)出“超重力場(chǎng)發(fā)生裝置”，制造出是地球表面重力100萬(wàn)倍的世界最大級(jí)別的超重力場(chǎng)。在這個(gè)環(huán)境下，如果進(jìn)行與剛才相同的下落實(shí)驗(yàn)，物體大約千分之一秒落地。在這種環(huán)境下，不要說(shuō)液體，連固體中的原子位置也發(fā)生改變，其結(jié)果有可能誕生新的物質(zhì)。

科學(xué)家開(kāi)發(fā)的這種裝置是每分鐘19萬(wàn)轉(zhuǎn)的超離心機(jī)，由它產(chǎn)生的離心力可制造超重力場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是：首先將置身在超重力場(chǎng)的物質(zhì)密封在稱(chēng)之為旋轉(zhuǎn)體部分的內(nèi)部，以每秒約500轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，速度不斷提高，約10分鐘后便進(jìn)入超重力狀態(tài)。這個(gè)裝置能夠?qū)⒊亓顟B(tài)保持100個(gè)小時(shí)。另外，采用了輻射加熱，內(nèi)部的溫度可達(dá)到500℃以上。在超重力和高溫狀態(tài)下，使原子慢慢沉降，從而改變?cè)镔|(zhì)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生新的物質(zhì)。例如，將銦與鉛組成的合金置于超重力場(chǎng)，銦的原子量是115，鉛的原子量是207。在超重力場(chǎng)的環(huán)境下，銦和鉛各自的原子偏向重力方向的程度不一樣。相對(duì)更重的鉛原子在超重力下“沉降”，集中在這個(gè)合金內(nèi)部的“下側(cè)”(在超重力下物體墜落的方向)。也就是說(shuō)，越到“上側(cè)”鉛的濃度越小，而銦的濃度則上升。在合金或化合物等由多種原子構(gòu)成的物質(zhì)中，各種原子起到了一樣的作用。人們可以利用超重力的環(huán)境，對(duì)合金或化合物內(nèi)的原予的構(gòu)成及分布進(jìn)行重新分配，從而制造出新的物質(zhì)。

用超強(qiáng)磁場(chǎng)揭開(kāi)電子潛在的性質(zhì)

眾所周知，羅盤(pán)的指針顯示地球的南北方向，這是因?yàn)榈厍虮旧砭褪莻€(gè)大的磁體，產(chǎn)生地磁場(chǎng)，其強(qiáng)度在地表是0.5高斯(2萬(wàn)分之一特斯拉)。東京大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)的“電磁濃縮超強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置”，制造出約是地磁的1200萬(wàn)倍的600特斯拉的超強(qiáng)磁場(chǎng)，這是當(dāng)今世界室內(nèi)制造出的最強(qiáng)磁場(chǎng)?？茖W(xué)家利用超強(qiáng)磁場(chǎng)揭示電子的潛在秘密。電子在磁場(chǎng)中進(jìn)行著不停地旋轉(zhuǎn)，具有“回旋加速運(yùn)動(dòng)”的性質(zhì)。磁場(chǎng)越強(qiáng)，電子回旋加速運(yùn)動(dòng)的半徑越小，最后電子將被囚禁在非常小的領(lǐng)域。例如，現(xiàn)在人們關(guān)注的納米電子學(xué)，就是研究如何控制囚禁在納米級(jí)的電子。這種電子性質(zhì)唯有通過(guò)超強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。此外，科學(xué)家可以利用超強(qiáng)磁場(chǎng)模擬宇宙中物質(zhì)的誕生。如中子星產(chǎn)生于1億特斯拉的超強(qiáng)磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境將有利于科學(xué)家進(jìn)一步探索中子星的性質(zhì)。

強(qiáng)磁場(chǎng)是現(xiàn)代前沿科學(xué)研究所必須進(jìn)行的一項(xiàng)極端實(shí)驗(yàn)條件，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下都可能發(fā)生變化，呈現(xiàn)出多種的物理、化學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)，因此，強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是凝聚態(tài)物理、原子和分子物理學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)等諸多科學(xué)領(lǐng)域的基本研究工具，對(duì)于發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)新現(xiàn)象、揭示新規(guī)律具有重要作用。

責(zé)任編輯 蒲 暉